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朱振刚 日记

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可编程增益放大器  

2013-02-03 19:01:12|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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可编程增益放大器 (PGA) 是特殊的放大器结构(请参见图 1),具有经过修整的内部电阻器网络,拥有比采用离散式电阻器组件的放大器更高的性能。正如图 1 中 PGA 传输函数所显示那样,PGA 输出的绝对误差与内部偏移电压(VOS)、增益精度和 VREF 绝对精度有关。

图1:相应传输函数的PGA 配置举例
图1:相应传输函数的PGA 配置举例

在一些使用 PGA 的应用中,关键的 DC 规范为 VOS、增益精度与偏移、噪声以及静态功耗。如果参考引脚 VREF 不以运算放大器缓冲电路驱动,则 PGA 传输函数的精度会受到极大影响。另外,从 AC 的角度来看,一个常见的难题是维持频率下的增益精度,其会受到参考引脚电压 VREF 以及对它起到缓冲作用的运算放大器的影响。

考虑到带宽、AOL(ω)、RO(ω) 和运算放大器缓冲电路的反馈系数 (β)(请参见图 2)大小的情况下,我们便可以更好地理解运算放大器效应对 VREF 所产生的影响。

图2:Vref 缓冲分压器电压
图2:Vref 缓冲分压器电压

由于缓冲器本身 β = 1,因此输出电压 VREF 等于 AOLVIN。VREF 流入缓冲放大器反相输入端的输入偏置电流,决定了负载电流的大小程度。这一点非常重要,因为负载电流的大小会调节环路增益 (AOLβ) 和闭环输出阻抗 ROUT。

图2 显示了 VREF 缓冲器的闭环内部电路:Rout、Ro 和 AOL 之间的重要关系如方程式 1 所示:

方程式1方程式1

总之,随着频率不断增加,运算放大器通过减小 AOL、增加 Rout 以及延长稳定时间来保持固定输出电压和低阻抗的能力下降。这会影响 PGA 增益误差的精度。

为了方便说明,请思考图 3 所示单端 PGA 之例。输入信号 VIN 有其 DC 组成部分 (2.5V),而 AC 信号为一个 200 mVpp、5 kHz 正弦波:

图3:缓冲器单端 PGA
图3:缓冲器单端 PGA

图4:以 TINA Spice 中的“万用表”功能对图 5 进行分析
图4:以 TINA Spice 中的“万用表”功能对图5 进行分析

我们可以利用 TINA Spice 中的“万用表”功能(请参见图 4),获得输入电压对输出电压的 RMS 值,并用其计算总输出误差,具体计算方法如方程式 2 和 3:

方程式 2方程式 2

方程式 3方程式 3

例如,微功耗精密运算放大器 OPA333 便拥有 ~350 kHz 的增益带宽 (GBW) 积。因此,在 5 kHz下,闭环特性会下降到造成第二个运算放大器(如OPA376)输出端产生 0.08% 误差的程度。若使用一个更高 GBW 的放大器(如:另一个精密运算放大器)便可减小这种误差。

通过在 TINA SPICE 中绘制出传输函数 (VOUT/VIN) 与频率曲线图的关系图,我们可以直观地看到改变阻抗频率的效果(请参见图 5)。请注意,相比 OPA333, OPA376 当作缓冲器时,增益与频率的关系更加恒定:

图5:OPA333 和 OPA376 缓冲器比较图
图5:OPA333 和 OPA376 缓冲器比较图

结果表明,把一个带宽较高的运算放大器(例如:OPA376 等)用作 VREF 缓冲放大器,可明显改善总输出误差。
 

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